基于混沌系統和DNA編碼的圖像加密技術探討

              論文價格:150元/篇 論文用途:碩士畢業論文 Master Thesis 編輯:碩博論文網 點擊次數:
              論文字數:30263 論文編號:sb2022062122482648651 日期:2022-07-08 來源:碩博論文網

              本文是一篇工程碩士論文,本文提出一種基于 Lv 超混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術。該加密技術中,Logistic 和 Lv 混沌系統的初始值根據明文圖像生成,增強了明文敏感性。將混沌系統和 DNA 編碼技術相結合,通過對角線遍歷對像素值進行置亂極大地降低了相鄰像素之間的相關性,增強了加密算法的安全性。
              第 1 章 緒論
              1.1 研究背景及意義
              隨著互聯網的普及,再加上其高效、便捷的特點,在互聯網進行信息傳遞越來受到人們的歡迎。作為人們獲取信息的重要方式之一,數字圖像與語音、文字相比更加直觀、形象、清晰,在醫療、軍事、商業等各大領域應用廣泛[1]。當用數字圖像進行信息的傳遞逐漸得到人們的青睞,其存在的安全隱患同樣不容小覷如:包含國家新型技術、商業重要機密、個人隱私數據、醫療手術方案等重要信息的圖像一經泄露會給個人、國家甚至社會帶來巨大的損失,不僅如此,數字圖像在傳輸過程中還存在被惡意攻擊、盜取和篡改的危險[2],而如何有效地保障數字圖像信息不被泄露已經成為許多專家和學者關注的熱點。因此,保障數字圖像在存儲和傳輸過程中的安全具有重要的意義。
              數字圖像具有數據量大、相關性強的特點,傳統的加密算法如 AES、DES、IDEA、RSA 等主要針對文本信息進行處理,在對數字圖像進行加密時會表現出安全性能差、加密效率低的特點[3],更嚴重的會破壞圖像的存儲方式,設計新型的圖像加密算法已成為信息安全領域的重點研究對象。
              混沌系統具有對初始值高度敏感、不可預測等一系列優良特性,這些特性使得混沌系統不僅可以生成加密的隨機序列,而且當其初始值發生微小變化時會產生差異巨大的混沌序列,增大加密系統的破解難度,進而確保信息的安全傳輸[4]。與傳統加密技術相比,混沌系統在對大量信息進行加密時,能夠確保信息安全,達到快速加密的效果[5],近些年來混沌系統被科研工作者廣泛應用到圖像加密的領域中,取得了一系列的成果。然而,單一低維混沌系統雖然易于實現,但是加密安全性能較低,僅僅使用混沌系統對數字圖像進行加密其安全性也不能得到充分的保障[6],只有將混沌系統與其它加密算法相互結合才能充分發揮其優勢,提高加密的效果。為了更好的滿足數字圖像加密的需求,國內外學者致力于尋求新的圖像加密機制。
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              1.2 國內外研究現狀
              1.2.1 混沌圖像加密技術研究現狀
              混沌系統的性質與密碼學中混淆與擴散具備非常高的相似性,將混沌系統應用到數字圖像加密中去,在保證其加密安全性能上起到了強有力的支撐作用[9]。1989 年,Matthew[10]提出基于混沌的文本加密技術,利用混沌系統生成的混沌序列進行加密,從此,混沌系統加密的大門被開啟。1997 年,Fridrich 首次提出將混沌映射應用到圖像加密中去[11],利用混沌系統的迭代值實現對明文像素的置亂。1998 年,Fridrich 提出一種擴散—置亂加密框架,此后許多學者開始運用這個框架進行圖像加密[12]。以此為基礎,國內外學者進行了較為深入的研究,大量的混沌系統被相繼提出,取得的一系列成果極大地豐富了圖像加密領域。
              混沌系統按照維度進行劃分可以分為低維混沌系統和高維混沌系統。低維混沌系統具有結構簡單、容易實現等特點被廣泛使用,但是也存在混沌映射范圍小、加密安全性能低等缺點。為了充分發揮混沌系統的優勢,許多學者開始對現存的混沌系統進行改進或者與其它方法進行結合。湯任君將Logistic混沌序列和DES算法相互結合對原始圖像的像素進行置亂與擴散處理[13]。通過混沌序列的比特變換來替代原始的S盒不僅擴大了密鑰空間,而且提高了系統抵御常見攻擊的能力。Li提出一種基于改進的三維混沌邏輯映射的圖像加密方案,改進后的密鑰在隨機性和安全性等方面大大提升[14]。針對一維混沌系統混沌序列分布不均勻的問題,鄒東堯提出一種改進的一維邏輯正弦混沌系統[15],改進后的混沌系統生成的混沌序列較為復雜,敏感性較強且密鑰空間較大。曾祥秋針對Logistic映射參數范圍受限的問題,提出一種新的Logistic映射[16]。改進后的Logistic映射生成的隨機序列具有更好的混沌性,加密算法也具有較好的加密性能,可以抵抗常見的攻擊。劉思聰提出一種改進的新型二維指數-余弦離散混沌映射系統[17],通過“置亂-擴散-置亂”三個環節,使得加密后的數據具有很好的魯棒性。針對現有混沌圖像加密算法動態特性較為簡單的問題,Gao提出一種改進的Henon映射[18]。改進后的Henon映射具有更豐富的混沌行為和較高的復雜性,增強了圖像加密算法的安全性能。
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              第 2 章 圖像加密技術理論
              2.1 密碼學基礎
              2.1.1 密碼學基本概念
              現代密碼學分為密碼編碼和密碼分析兩個部分。密碼編碼主要是對信息進行編碼保證信息的安全,使其在傳輸的過程中不容易被攻擊和竊取,密碼分析則是對加密的信息進行破譯[38]。密碼編碼和密碼分析是互逆的過程,兩者相互依存、缺一不可。
              密碼學系統由加密算法、解密算法、明文、密文、密鑰五個要素組成,基礎加解密流程如圖 2-1 所示。

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              一個好的加密算法能夠抵抗各種各樣的攻擊,但是絕對安全的加密系統是不存在的,通過進行密碼分析可以對已知的加密方法進行破解。隨著密碼分析學的不斷進步,攻擊者研究出了許多密碼分析的手段,根據攻擊者掌握信息數量的多少,常見的攻擊形式可以劃分為以下幾種:
              唯密文攻擊:攻擊者僅僅知道密文的情況下進行地攻擊。此類攻擊由于只知道密文信息,獲取明文或者密鑰的難度較大,攻擊力度較弱,所有的加密算法均可以抵御此類攻擊。
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              2.2 混沌的介紹
              2.2.1 混沌的定義
              混沌系統復雜度極高,雖然人們對混沌系統的研究逐漸深入,但是至今學術界對“混沌”尚未存在一個高度統一且被普遍接受的定義。1963 年,美國麻省理工氣象學家 Lorenz 提出“蝴蝶效應”[39],證明了系統的結果對初始條件有著極為敏感的依賴性,為混沌系統的研究提供了有力的支撐。1975 年,美國數學家 Yorke 和李天巖首次引入 Chaos(混沌)一詞[40],開創了對混沌系統研究的新領域,同時從數學的角度嚴格對混沌系統進行定義,即我們常見的 Li_Yorker 定義。
              2.2.2 混沌運動的特征
              與其他特定性運動不同,混沌系統具有獨立的運動特征。具體性質如下:
              1.內隨機性?;煦缦到y由確定的方程決定,不受外界條件的影響,只取決于本身的獨特結構。
              2.對初始值敏感性。對于一般的運動系統來說,初始值發生很小的變化運動狀態的變化極小,然而混沌系統卻相反,即使初始值發生極其小的變化,混沌系統的最終狀態則會呈現出巨大的差異性。
              3.有界性?;煦缦到y的運動規律極其復雜且不可預測,但是系統的運動運動軌跡始終局限于一個有限的區域內,圍繞著混沌吸引子進行運動,從整體上來看系統是穩定的。
              4.不可預測性。當初始值發生微小變化時,即使利用相同的混沌系統,也會產生不同的混沌序列,預測系統在某個時刻的特征較為困難。
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              第3 章 基于 LV 混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術 .............18
              3.1 對角線遍歷 ........................... 18
              3.2 圖像加解密過程 ............................. 18
              第 4 章 基于 Chen 混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術 .......... 32
              4.1 螺旋遍歷 ...............................32
              4.2 SHA-256 算法 ........................... 32
              第五章 結論與展望 ..................... 46
              5.1 結論 .............................. 46
              5.2 展望 ............................ 47
              第 4 章 基于 Chen 混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術
              4.1 螺旋遍歷
              螺旋遍歷算法是從矩陣的左上角元素開始,按照順時針進行遍歷,一直遍歷完矩陣中所有的元素。遍歷的路徑如下圖所示,針對每層依次按照從左到右遍歷上邊、從上到下遍歷右邊,從右到左遍歷下邊,從下到上遍歷左邊的方式進行。

              工程碩士論文參考
              工程碩士論文參考

              SHA-256 是一種標準的單向散列函數,可以將任意長度的消息壓縮成固定長度的消息摘要[58]。SHA-256 具有雪崩效應,當輸入值發生微小的變化,哪怕只有 1bit 的變化也會產生完全不同的散列值。為了使混沌系統的初始值與明文圖像密切相關,將 SHA-256 哈希函數作用在明文圖像上,得到 256bit 與明文相關的密鑰。
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              第五章 結論與展望
              5.1 結論
              隨著互聯網技術的普及,數字圖像已經與人們的生活息息相關。由于數字圖像具有直觀、形象的特點,諸多領域如醫療、軍事、科研等更加青睞于用數字圖像進行信息的存儲。近年來,由于個人隱私意識的不斷提升,不僅數據的安全性得到重視,圖像安全性問題也變得越來越重要。
              與文本數據相比,數字圖像所包含的信息量大且冗余度、相鄰像素之間的相關性較高,這些特性使得傳統的加密技術不再適用?;煦缦到y的提出為數字圖像加密技術提供了新的研究方向,其具備初值敏感、內隨機、遍歷性的特征在圖像加密領域適用性非常廣泛,許多學者基于混沌系統提出了大量的數字圖像加密技術。但是,僅僅依靠混沌系統對數字圖象進行加密安全性較低,因此,將混沌系統與其他領域進行結合對數字圖像進行加密成為一種新的研究趨勢。
              本文在閱讀了大量國內外文獻以及對數字圖像加密技術進行思路分析、效果對比的基礎上提出了兩種基于超混沌系統和 DNA 編碼的數字圖像技術,通過將混沌系統和 DNA 編碼兩大技術相互結合,提高了加密算法的安全性。具體如下:
              (1)針對本課題研究的背景和意義進行闡述,介紹國內外相關研究領域的研究現狀以及對圖像加密技術理論。
              (2)提出一種基于 Lv 超混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術。該加密技術中,Logistic 和 Lv 混沌系統的初始值根據明文圖像生成,增強了明文敏感性。將混沌系統和 DNA 編碼技術相結合,通過對角線遍歷對像素值進行置亂極大地降低了相鄰像素之間的相關性,增強了加密算法的安全性。
              (3)提出一種基于 Chen 超混沌系統和 DNA 編碼的圖像加密技術。該加密技術中,利用 SHA-256 函數作用在明文圖像和外部密鑰上生成 256bit 的消息摘要,根據消息摘要生成混沌系統的初始值。由于 SHA-256 作用每幅圖像生成的消息摘要均不相同,增強了明文的敏感性。用 Logistic 映射生成的混沌序列決定DNA 編碼、DNA 運算以及 DNA 解碼方式,通過螺旋遍歷增強像素值的置亂效果,能夠有效地保障加密算法的安全性。
              參考文獻(略)


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